本发明公开一种地下结构静水浮力模型试验装置，属于土工室内试验装置技术领域，包括外箱和内箱，外箱内部设置有布水机构，外箱外侧设置有水箱，布水机构与水箱连通，布水机构的底端设置有若干个出水缓流头；本发明通过出水缓流头的设置，保证在进行试验注水时，使水流缓慢通过砂土，避免水流与砂土接触时，由于速度过快造成土层冲刷，形成管涌影响试验。而且本发明可通过压缩砂土体积来调控砂土孔隙比，通过数显推拉力和应变片的结合间接得到浮力的数值，孔隙水压力、土压力的大小分别由测压管和土压力传感器测得，从而为探究地下结构所受到的孔隙水压力、土压力和浮力的相关性提供数据支撑，为探究地下结构所受浮力的作用机理提供理论依据。
1.一种地下结构静水浮力模型试验装置，其特征在于，包括外箱(1)和设置于所述外箱(1)内的内箱(2)，所述外箱(1)底端开设有螺纹孔，所述螺纹孔内螺纹连接有连接管(3)，所述外箱(1)内部设置有布水机构，所述连接管(3)的顶端与所述布水机构可拆卸连接，所述外箱(1)外侧设置有水箱(4)，所述水箱(4)内安装有水泵(5)，所述水泵(5)的出水端与所述连接管(3)的底端通过管道(6)连通，所述管道(6)上安装有阀门(7)，且所述管道(6)与所述连接管(3)可拆卸连接；所述布水机构的底端设置有若干个出水缓流头，所述出水缓流头的底端与所述外箱(1)的底壁接触配合；所述外箱(1)的顶端固定连接有支撑杆(8)，所述支撑杆(8)的底部固定连接有数显推拉力计(9)，所述数显推拉力计(9)的底端固定连接有连接杆(10)，所述连接杆(10)的底端固定连接有应变片(11)，所述应变片(11)设置于所述内箱(2)的内侧底板上；
所述布水机构包括若干根平行设置的供水管(12)，所述供水管(12)的两端密封，所述供水管(12)沿水平方向设置，相邻两所述供水管(12)之间设置有连通管(13)，所述连通管(13)的两端分别与两所述供水管(12)连通；任一所述供水管(12)的底端开设有螺纹接口(14)，所述连接管(3)的顶端与所述螺纹接口(14)螺纹配合；任一所述供水管(12)的底端均设置有若干个所述出水缓流头，同一所述供水管(12)上的所述出水缓流头的数量不少于两个；
所述出水缓流头包括固定安装在所述供水管(12)底端的出水帽(15)，所述出水帽(15)的底端开设有若干个出水孔(16)；所述出水帽(15)内设置有浮板(17)，所述浮板(17)与所述出水帽(15)的内壁间隙配合；所述出水帽(15)内设置有出水管(18)，所述出水管(18)的顶端与所述供水管(12)固定连通，所述浮板(17)设置于所述出水管(18)的下方，所述出水管(18)的底部侧壁沿周向开设有若干个出水缺口(19)；
所述出水帽(15)的顶端固定连接有两个连接板(20)，两所述连接板(20)对称设置，所述连接板(20)上开设有安装口，所述安装口内可拆卸安装有海绵条(21)，所述海绵条(21)的底端与所述外箱(1)的内侧底板接触配合，所述海绵条(21)的长度方向沿所述供水管(12)的轴线方向设置；
所述出水帽(15)相对的两侧均设置有按压件，所述按压件包括固定安装在所述出水帽(15)上的挡板(22)，所述挡板(22)底端中部固定连接有伸缩杆(23)，所述伸缩杆(23)的底端固定连接有按压块(24)，所述按压块(24)的底端与所述海绵条(21)抵接，且所述按压块(24)与所述连接板(20)滑动配合，所述按压块(24)的宽度不小于所述安装口的宽度；所述挡板(22)底端固定连接有伸缩管(25)，所述伸缩管(25)的底端与所述按压块(24)固定连接，所述伸缩杆(23)套设在所述伸缩管(25)的内侧；所述伸缩管(25)内设置有弹簧(26)，所述弹簧(26)套设在所述伸缩杆(23)上，所述弹簧(26)的两端分别与所述按压块(24)、所述挡板(22)抵接。
2.根据权利要求1所述的地下结构静水浮力模型试验装置，其特征在于，所述出水孔(16)的顶端内径小于所述出水孔(16)的底端内径。
3.根据权利要求1所述的地下结构静水浮力模型试验装置，其特征在于，所述连接管(3)的外壁上固定套设有密封板(27)，所述密封板(27)的底端开设有环槽，所述连接管(3)与所述环槽同轴设置；所述环槽内固定安装有密封圈(28)，所述密封圈(28)与所述外箱(1)的底板抵接。
4.根据权利要求1所述的地下结构静水浮力模型试验装置，其特征在于，所述外箱(1)的任一侧壁上安装有若干个测压管(29)，若干个所述测压管(29)沿竖直方向设置。
5.根据权利要求4所述的地下结构静水浮力模型试验装置，其特征在于，所述内箱(2)底部的外侧四个直角处均设有土压力传感器(30)，所述内箱(2)顶端的四个直角处均设有位移传感器(31)。
6.根据权利要求1所述的地下结构静水浮力模型试验装置，其特征在于，所述外箱(1)的底端可拆卸安装有支撑架(32)。
一种地下结构静水浮力模型试验装置
技术领域
[0001] 本发明属于土工室内试验装置技术领域，尤其涉及一种地下结构静水浮力模型试验装置。
背景技术
[0002] 随着经济的发展，地下空间的开发规模越来越大，土体的孔隙和岩体的裂隙赋存大量的地下水，对地下结构会产生浮力作用，合理确定地下结构所受到的浮力，对于地下工程的安全性、经济性和可靠性至关重要，因此，开展地基中地下水对地下结构的浮力作用效应的研究具有重要科学意义。由于学术界和工程界对此在理论上缺乏统一认识，目前普遍以试验作为最重要和可靠的研究手段。
[0003] 现有技术模拟地下水浮力作用效应主要采用地下结构静水浮力模型，该模型通过调整砝码与水的质量模拟地下结构模型即内箱达到浮力破坏的临界状态，最终得到浮力的大小，但是其水流从进水口流入时会直接与土层接触，容易使接触土层形成冲刷，造成小范围管涌现象，影响试验。为此，亟需提供一种地下结构静水浮力模型试验装置，以解决上述现有技术中存在的技术问题。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种地下结构静水浮力模型试验装置，以解决上述现有技术存在的问题。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供了一种地下结构静水浮力模型试验装置，包括外箱和设置于所述外箱内的内箱，所述外箱底端开设有螺纹孔，所述螺纹孔内螺纹连接有连接管，所述外箱内部设置有布水机构，所述连接管的顶端与所述布水机构可拆卸连接，所述外箱外侧设置有水箱，所述水箱内安装有水泵，所述水泵的出水端与所述连接管的底端通过管道连通，所述管道上安装有阀门，且所述管道与所述连接管可拆卸连接；所述布水机构的底端设置有若干个出水缓流头，所述出水缓流头的底端与所述外箱的底壁接触配合；所述外箱的顶端固定连接有支撑杆，所述支撑杆的底部固定连接有数显推拉力计，所述数显推拉力计的底端固定连接有连接杆，所述连接杆的底端固定连接有应变片，所述应变片设置于所述内箱的内侧底板上。
[0006] 优选的，所述布水机构包括若干根平行设置的供水管，所述供水管的两端密封，所述供水管沿水平方向设置，相邻两所述供水管之间设置有连通管，所述连通管的两端分别与两所述供水管连通；任一所述供水管的底端开设有螺纹接口，所述连接管的顶端与所述螺纹接口螺纹配合；任一所述供水管的底端均设置有若干个所述出水缓流头，同一所述供水管上的所述出水缓流头的数量不少于两个。
[0007] 优选的，所述出水缓流头包括固定安装在所述供水管底端的出水帽，所述出水帽的底端开设有若干个出水孔；所述出水帽内设置有浮板，所述浮板与所述出水帽的内壁间隙配合；所述出水帽内设置有出水管，所述出水管的顶端与所述供水管固定连通，所述浮板设置于所述出水管的下方，所述出水管的底部侧壁沿周向开设有若干个出水缺口。
[0008] 优选的，所述出水帽的顶端固定连接有两个连接板，两所述连接板对称设置，所述连接板上开设有安装口，所述安装口内可拆卸安装有海绵条，所述海绵条的底端与所述外箱的内侧底板接触配合，所述海绵条的长度方向沿所述供水管的轴线方向设置。
[0009] 优选的，所述出水帽相对的两侧均设置有按压件，所述按压件包括固定安装在所述出水帽上的挡板，所述挡板底端中部固定连接有伸缩杆，所述伸缩杆的底端固定连接有按压块，所述按压块的底端与所述海绵条抵接，且所述按压块与所述连接板滑动配合，所述按压块的宽度不小于所述安装口的宽度；所述挡板底端固定连接有伸缩管，所述伸缩管的底端与所述按压块固定连接，所述伸缩杆套设在所述伸缩管的内侧；所述伸缩管内设置有弹簧，所述弹簧套设在所述伸缩杆上，所述弹簧的两端分别与所述按压块、所述挡板抵接。
[0010] 优选的，所述出水孔的顶端内径小于所述出水孔的底端内径。
[0011] 优选的，所述连接管的外壁上固定套设有密封板，所述密封板的底端开设有环槽，所述连接管与所述环槽同轴设置；所述环槽内固定安装有密封圈，所述密封圈与所述外箱的底板抵接。
[0012] 优选的，所述外箱的任一侧壁上安装有若干个测压管，若干个所述测压管沿竖直方向设置。
[0013] 优选的，所述内箱底部的外侧四个直角处均设有土压力传感器，所述内箱顶端的四个直角处均设有位移传感器。
[0014] 优选的，所述外箱的底端可拆卸安装有支撑架。
[0015] 与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
[0016] 本发明提供的地下结构静水浮力模型试验装置，本发明通过出水缓流头的设置，可以保证在进行试验注水时，可以使水流缓慢通过砂土，避免水流与砂土接触时，由于速度过快造成土层冲刷，形成管涌影响试验。而且本发明可通过压缩砂土体积来调控砂土孔隙比，通过数显推拉力和应变片的结合间接得到浮力的数值，孔隙水压力、土压力的大小分别由测压管和土压力传感器测得，从而为探究地下结构所受到的孔隙水压力、土压力和浮力的相关性提供数据支撑，为进一步探究地下结构所受浮力的作用机理提供理论依据。
附图说明
[0017] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0018] 图1为本发明地下结构静水浮力模型试验装置的结构示意图；
[0019] 图2为本发明图1中A的局部放大图；
[0020] 图3为本发明布水机构的俯视图；
[0021] 其中，外箱‑1、内箱‑2、连接管‑3、水箱‑4、水泵‑5、管道‑6、阀门‑7、支撑杆‑8、数显推拉力计‑9、连接杆‑10、应变片‑11、供水管‑12、连通管‑13、螺纹接口‑14、出水帽‑15、出水孔‑16、浮板‑17、出水管‑18、出水缺口‑19、连接板‑20、海绵条‑21、挡板‑22、伸缩杆‑23、按压块‑24、伸缩管‑25、弹簧‑26、密封板‑27、密封圈‑28、测压管‑29、土压力传感器‑30、位移传感器‑31、支撑架‑32。
具体实施方式
[0022] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0023] 本发明提供一种地下结构静水浮力模型试验装置，包括外箱1和设置于外箱1内的内箱2，外箱1底端开设有螺纹孔，螺纹孔内螺纹连接有连接管3，外箱1内部设置有布水机构，连接管3的顶端与布水机构可拆卸连接，外箱1外侧设置有水箱4，水箱4内安装有水泵5，水泵5的出水端与连接管3的底端通过管道6连通，管道6上安装有阀门7，且管道6与连接管3可拆卸连接；布水机构的底端设置有若干个出水缓流头，出水缓流头的底端与外箱1的底壁接触配合；外箱1的顶端固定连接有支撑杆8，支撑杆8的底部固定连接有数显推拉力计9，数显推拉力计9的底端固定连接有连接杆10，连接杆10的底端固定连接有应变片11，应变片11设置于内箱2的内侧底板上。
[0024] 进一步的，为方便试验装置的组装及拆卸，以及在进行试验时，可以快速的进行注水，布水机构包括若干根平行设置的供水管12，供水管12的两端密封，供水管12沿水平方向设置，相邻两供水管12之间设置有连通管13，连通管13的两端分别与两供水管12连通；任一供水管12的底端开设有螺纹接口14，连接管3的顶端与螺纹接口14螺纹配合；任一供水管12的底端均设置有若干个出水缓流头，同一供水管12上的出水缓流头的数量不少于两个。
[0025] 进一步的，为降低注水时水的流速，避免出现管涌现象，出水缓流头包括固定安装在供水管12底端的出水帽15，出水帽15的底端开设有若干个出水孔16；出水帽15内设置有浮板17，浮板17与出水帽15的内壁间隙配合；出水帽15内设置有出水管18，出水管18的顶端与供水管12固定连通，浮板17设置于出水管18的下方，出水管18的底部侧壁沿周向开设有若干个出水缺口19。
[0026] 为进一步降低注水时水的流速，在出水帽15的顶端固定连接有两个连接板20，两连接板20对称设置，连接板20上开设有安装口，安装口内可拆卸安装有海绵条21，海绵条21的底端与外箱1的内侧底板接触配合，海绵条21的长度方向沿供水管12的轴线方向设置。
[0027] 进一步的，为避免在向外箱1内填充砂土时，海绵条21在砂土的作用下变形，导致海绵条21无法起到作用，在出水帽15相对的两侧均设置有按压件，按压件包括固定安装在出水帽15上的挡板22，挡板22底端中部固定连接有伸缩杆23，伸缩杆23的底端固定连接有按压块24，按压块24的底端与海绵条21抵接，且按压块24与连接板20滑动配合，按压块24的宽度不小于安装口的宽度；挡板22底端固定连接有伸缩管25，伸缩管25的底端与按压块24固定连接，伸缩杆23套设在伸缩管25的内侧；伸缩管25内设置有弹簧26，弹簧26套设在伸缩杆23上，弹簧26的两端分别与按压块24、挡板22抵接。
[0028] 进一步的，为降低水由出水帽15流出的流速，设计出水孔16的顶端内径小于出水孔16的底端内径。
[0029] 进一步的，为避免外箱1中的水由底部的螺纹孔渗出，影响试验结果，在连接管3的外壁上固定套设有密封板27，密封板27的底端开设有环槽，连接管3与环槽同轴设置；环槽内固定安装有密封圈28，密封圈28与外箱1的底板抵接。
[0030] 进一步的，为探究地下结构所受到的孔隙水压力，在外箱1的任一侧壁上安装有若干个测压管29，若干个测压管29沿竖直方向设置。
[0031] 进一步的，为探究地下结构所受到的孔隙水压力，在内箱2底部的外侧四个直角处均设有土压力传感器30，为方便测量内箱2在浮力下所产生的位移，在内箱2顶端的四个直角处均设有位移传感器31。
[0032] 进一步的，外箱1的底端可拆卸安装有支撑架32。
[0033] 本发明提供的地下结构静水浮力模型试验装置，在使用时，具体步骤如下：
[0034] S1、进行试验装置的组装，将连接管3安装到外箱1的底部，同时通过螺纹接口14，将布水机构与连接管3进行连接，然后利用管道6将连接管3与水箱4中的水泵5进行连接；
[0035] S2、逐层填土，将砂土进行夯打均匀压实至所需孔隙比；
[0036] S3、在内箱2上安装土压力传感器30、应变片11和位移传感器31及数显推拉力计9，并根据设计的内箱2的预埋高度，将内箱2埋入外箱1内，继续填土至设计地面高度；
[0037] S4、打开水泵5和阀门7向外箱1中注水，水箱4中的水依次通过管道6、连接管3、供水管12、出水管18进入到出水帽15中，并通过出水帽15底部的出水孔16流出出水帽15，并被海绵条21吸收，通过海绵条21向外箱1中注水，可以控制水泵5和阀门7，可以保证水流低速流入，而且通过浮板17的设置可以避免水流直接冲刷到海绵条21上，并且由于出水孔16的顶端内径小于出水孔16的底端内径，水在由出水帽15中流出时，可以起到降低流速的效果，而且出水帽15中的浮板17在水的浮力作用下，可以对出水管18起到一定的封堵作用，此时出水管18中的水只能由出水管18上的出水缺口19流出，从而进一步起到降低流速的效果，通过浮板17和出水孔16的设置，即使在忘记调节阀门7的开度的情况下，依然可以起到降低流速的效果；水位每上升10cm～15cm后停止注水，等到水位稳定后再次注水，直至外箱1内的砂土完全渗透饱和后，关闭水泵5和阀门7；
[0038] S5、待外箱1内的砂土完全渗透饱和后，数显推拉力计9、测压管29、土压力传感器30和位移传感器31的数值稳定，记录浮力、孔隙水压力、土应力和内箱2位移的数值；
[0039] S6、断开管道6与水泵5出水端的连接，打开阀门7，由于支撑架32的设置，外箱1底部的高度高于水箱4的高度，在大气压的作用下，外箱1中的水会依次通过海绵条21、出水帽15、出水管18、供水管12、连接管3、管道6回流至水箱4中，待数显推拉力计9、测压管29、土压力传感器30和位移传感器31的数值再次稳定后，记录相应的数值；
[0040] S7、取出外箱1中的砂土，使试验装置恢复到试验前状态，使用不同孔隙比的砂土，重复步骤S2～S6的操作，并进行数据的记录。
[0041] 本发明通过出水缓流头的设置，可以保证在进行试验注水时，可以使水流缓慢通过砂土，避免水流与砂土接触时，由于速度过快造成土层冲刷，形成管涌影响试验。而且本发明可通过压缩砂土体积来调控砂土孔隙比，通过数显推拉力和应变片11的结合间接得到浮力的数值，孔隙水压力、土压力的大小分别由测压管29和土压力传感器30测得，从而为探究地下结构所受到的孔隙水压力、土压力和浮力的相关性提供数据支撑，为进一步探究地下结构所受浮力的作用机理提供理论依据。
[0042] 以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
